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{{organizzare|Voce ipertrofica (155 kB), come suggerito [[Discussioni progetto:Astronomia/Archivio 24#Enciclopedicità dei "periodi luce"|qui]], l'enorme tabella sulle derivate potrebbe essere trasferita in una voce a sé, sono 45 kB solo quella, anche perché esistono diversi abbozzi in voci a sé stanti, basterebbe un veloce riassunto in questa pagina.|scienza|dicembre 2022}} |
{{organizzare|Voce ipertrofica (155 kB), come suggerito [[Discussioni progetto:Astronomia/Archivio 24#Enciclopedicità dei "periodi luce"|qui]], l'enorme tabella sulle derivate potrebbe essere trasferita in una voce a sé, sono 45 kB solo quella, anche perché esistono diversi abbozzi in voci a sé stanti, basterebbe un veloce riassunto in questa pagina.|scienza|dicembre 2022}} |
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Nella [[fisica delle particelle]] e nella [[Cosmologia (astronomia)|cosmologia]], le '''unità di Planck''' sono un insieme di [[unità di misura]] definite esclusivamente in termini di cinque [[Costante fisica|costanti fisiche]] universali, in modo tale che queste cinque costanti fisiche assumano il valore numerico di [[1 (numero)|1]] quando espresse in termini di queste unità. |
Nella [[fisica delle particelle]] e nella [[Cosmologia (astronomia)|cosmologia]], le '''unità di Planck''' sono un insieme di [[unità di misura]] definite esclusivamente in termini di cinque [[Costante fisica|costanti fisiche]] universali, in modo tale che queste cinque costanti fisiche assumano il valore numerico di [[1 (numero)|1]] quando espresse in termini di queste unità. Originariamente proposte nel 1899 dal fisico tedesco [[Max Planck]], sono rilevanti nella ricerca di una teoria del tutto come la [[Teoria della gravità quantistica a loop|teoria della gravità quantistica]]. |
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Originariamente proposte nel 1899 dal fisico tedesco [[Max Planck]], queste unità sono anche conosciute come [[unità naturali]] perché l'origine della loro definizione deriva solo da proprietà della [[natura]] e non da alcun costrutto umano,come ad esempio l'[[intensità luminosa]] (misurata in [[Candela (unità di misura)|candele]]), il [[flusso luminoso]] (misurato in [[lumen]]), e la [[dose equivalente]] (misurata in [[Sievert]]), né derivano da qualsiasi proprietà della [[terra]] o [[Universo|dell'universo]] (come per esempio accade per l'[[accelerazione di gravità]], l'[[Atmosfera (unità di misura)|atmosfera standard]] o la [[Legge di Hubble|costante di Hubble]]), né da qualsiasi caratteristica di una data sostanza (come il [[punto di fusione]] dell'[[acqua]], la [[densità]] dell'acqua o la [[Calore specifico|capacità termica specifica]] dell'acqua). Le unità di Planck sono solo un insieme di più sistemi di unità naturali, ma non si basano sulle proprietà di alcun [[Prototipo|oggetto prototipo]] o [[Particella elementare|particella]] che sarebbe scelta arbitrariamente (come la [[carica elementare]], la [[massa a riposo dell'elettrone]] o la massa a riposo del [[protone]]), ma piuttosto si basano sulle proprietà dello [[Vuoto (fisica)|spazio libero]]: difatti la velocità di Planck è la [[velocità della luce]], il momento angolare di Planck è la [[Costante di Planck|costante ridotta di Planck]], la resistenza di Planck è l'[[Impedenza caratteristica del vuoto|impedenza di spazio libero]], l'entropia di Planck è la [[costante di Boltzmann]], tutte sono proprietà dello spazio libero. Le unità di Planck hanno un significato rilevante per la fisica teorica poiché semplificano diverse espressioni algebriche mediante la cosiddetta ''non dimensionalizzazione''. Sono altresì rilevanti nella ricerca su teorie unificate come la [[gravità quantistica]]. |
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Il termine ''scala di Planck'' si riferisce alle magnitudini di spazio, tempo, [[energia]] e altre unità, al di sotto delle quali (od oltre le quali) le previsioni del [[Modello standard]], la [[teoria quantistica dei campi]] e la [[relatività generale]] non sono più riconciliabili, e si prevedono dominare gli [[Gravità quantistica|effetti quantistici della gravità]]. Questa regione può essere caratterizzata da energie tra i <math>5.52 \times 10^{8}\,\mathrm{J}</math> e i <math>1.96 \times 10^9\,\mathrm{J}</math> (chiamate appunto [[Energia di Planck|energie di Planck]]), intervalli di [[tempo]] tra i <math>1.91 \times 10^{-43}s</math> e i <math>5.39 \times 10^{-44}s</math> (chiamati [[Tempo di Planck|tempi di Planck]]) e [[Lunghezza|lunghezze]] tra i <math>5.73 \times 10^{-35}m</math> e i <math>1.62 \times 10^{-35}m</math> (chiamate [[Lunghezza di Planck|lunghezze di Planck]]). Su scala Planck, non ci si aspetta che i modelli attuali siano una guida utile al cosmo, e i fisici non hanno un [[Teoria#Modelli|modello scientifico]] per suggerire come si comporta l'universo fisico. L'esempio più noto è rappresentato dalle condizioni nei primi <math>10^{-43}</math> secondi [[Storia dell'universo|del nostro universo]] dopo il [[Big Bang]], circa 13,8 miliardi di anni fa. Nel nuovo [[Committee on Data for Science and Technology|2019 CODATA]] da [[Committee on Data for Science and Technology|NIST]] si prevede di usare le unità di Planck come future unità in sostituzione delle unità attuali internazionali di riferimento. |
Il termine ''scala di Planck'' si riferisce alle magnitudini di spazio, tempo, [[energia]] e altre unità, al di sotto delle quali (od oltre le quali) le previsioni del [[Modello standard]], la [[teoria quantistica dei campi]] e la [[relatività generale]] non sono più riconciliabili, e si prevedono dominare gli [[Gravità quantistica|effetti quantistici della gravità]]. Questa regione può essere caratterizzata da energie tra i <math>5.52 \times 10^{8}\,\mathrm{J}</math> e i <math>1.96 \times 10^9\,\mathrm{J}</math> (chiamate appunto [[Energia di Planck|energie di Planck]]), intervalli di [[tempo]] tra i <math>1.91 \times 10^{-43}s</math> e i <math>5.39 \times 10^{-44}s</math> (chiamati [[Tempo di Planck|tempi di Planck]]) e [[Lunghezza|lunghezze]] tra i <math>5.73 \times 10^{-35}m</math> e i <math>1.62 \times 10^{-35}m</math> (chiamate [[Lunghezza di Planck|lunghezze di Planck]]). Su scala Planck, non ci si aspetta che i modelli attuali siano una guida utile al cosmo, e i fisici non hanno un [[Teoria#Modelli|modello scientifico]] per suggerire come si comporta l'universo fisico. L'esempio più noto è rappresentato dalle condizioni nei primi <math>10^{-43}</math> secondi [[Storia dell'universo|del nostro universo]] dopo il [[Big Bang]], circa 13,8 miliardi di anni fa. Nel nuovo [[Committee on Data for Science and Technology|2019 CODATA]] da [[Committee on Data for Science and Technology|NIST]] si prevede di usare le unità di Planck come future unità in sostituzione delle unità attuali internazionali di riferimento. |
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Le costanti universali che, per definizione, assumono valore numerico pari ad 1 quando espresse in unità di Planck sono: |
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Esistono due versioni delle unità di Planck, la '''versione di Lorentz – [[Oliver Heaviside|Heaviside]]''' (chiamata anche ''razionalizzata'') e la '''versione gaussiana''' (chiamata anche ''non razionalizzata''). |
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* ''c,'' la [[Velocità della luce|velocità della luce nel vuoto]], |
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* G, la [[Costante di gravitazione universale|costante gravitazionale]], |
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Le costanti universali che le unità di Planck, per definizione, normalizzano a <math>1</math> sono: |
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* ''ħ,'' la [[costante di Planck ridotta]], |
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* la velocità della luce nel vuoto, <math>c</math>, (nota anche come '''velocità di Planck''') |
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* <math>k_B</math>, la [[costante di Boltzmann]]. |
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* la [[Costante di gravitazione universale|costante gravitazionale]], <math>G</math> |
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Esistono anche varianti dell'idea di base delle unità di Planck, come ad esempio scelte alternative di normalizzazione che attribuiscono altri valori numerici a una o più delle quattro costanti di cui sopra. |
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** <math>G</math> per la versione gaussiana, <math>4 \pi G</math> per la versione Lorentz – Heaviside |
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* la costante ridotta di Planck, <math>\hbar</math>, (nota anche come '''azione di Planck''') |
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* la [[Costante dielettrica del vuoto|permittività del vuoto]], <math>\varepsilon_0</math> (nota anche come '''permittività di Planck''') |
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**<math>\varepsilon_0</math> per la versione Lorentz – Heaviside, <math>4 \pi \varepsilon_0</math> per la versione gaussiana |
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* la costante di Boltzmann, <math>k_{\text{B}}</math> (nota anche come '''capacità termica di Planck'''). |
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Ciascuna di queste costanti può essere associata a una teoria o concetto fisico fondamentale: |
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* <math>c</math> con la [[Relatività ristretta|relatività speciale]], |
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* <math>G</math> con la [[relatività generale]], |
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* <math>\hbar</math> con la [[meccanica quantistica]], |
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* <math>\varepsilon_0</math> con l'[[elettromagnetismo]], |
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* <math>k_{\text{B}}</math> con le nozioni dell'[[entropia]], della [[meccanica statistica]] e della [[termodinamica]]. |
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== Introduzione == |
== Introduzione == |
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== Definizione == |
== Definizione == |
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In fisica, le '''unità di misura di Planck''' sono un particolare sistema di [[unità naturali]], in cui cinque costanti hanno valore unitario: |
In fisica, le '''unità di misura di Planck''' sono un particolare sistema di [[unità naturali]], in cui cinque costanti hanno valore unitario: |
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{| class="wikitable" |
{| class="wikitable" |
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|+Tabella 1: |
|+Tabella 1: Valori moderni per la scelta originale delle quantità di Planck |
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!Nome |
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!Dimensione |
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!Definizione |
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!Valore (unità S.I.) |
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|Lunghezza di Planck |
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! Costante |
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|[[lunghezza]] (L) |
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! Simbolo |
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|<math>l_P= \sqrt{\frac {\hbar G} {c^3}}</math> |
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! Dimensioni fisiche |
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|1.616255(18)×10<sup>−35</sup> m |
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! Valore |
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!Teorie associate |
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|Massa di Planck |
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|Velocità della luce nel vuoto |
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|[[Massa (fisica)|massa]] (M) |
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|<math>c </math> |
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|<math> |
|<math>m_P= \sqrt {\frac {\hbar c}{G}}</math> |
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|2.176434(24)×10<sup>−8</sup> kg |
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|<math>299792458\;\frac{m}{s}</math><ref name=":0">{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c|titolo=CODATA Value: speed of light in vacuum|sito=physics.nist.gov|accesso=28 maggio 2019}}</ref>''<small>(esatta per definizione)</small>'' |
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|[[Interazione elettromagnetica|Elettromagnetismo]] |
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Relatività ristretta |
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|Tempo di Planck |
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|Costante gravitazionale |
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|[[tempo]] (T) |
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|<math>G </math> |
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|<math> |
|<math>t_P= \sqrt {\frac {\hbar G} {c^5}}</math> |
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|5.391247(60)×10<sup>−44</sup> |
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|<math>6,67430(15) \cdot 10^{-11} \frac{m^3}{kg\;s^2}</math><ref>{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?bg|titolo=CODATA Value: Newtonian constant of gravitation|sito=physics.nist.gov|accesso=28 maggio 2019}}</ref> |
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|[[Relatività generale]] |
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[[Interazione gravitazionale|Gravità newtoniana]] |
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|Temperatura di Planck |
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|[[temperatura]] (Θ) |
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|<math>\hbar=\frac{h}{2 \pi}</math> dove <math>h </math> è la costante di Planck |
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|<math> |
|<math>T_P= \sqrt {\frac {\hbar c^5} {G k^2_B}}</math> |
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|1.416784(16)×10<sup>32</sup> K |
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|<math>1,054571817 \ldots \cdot 10^{-34}\;\mathrm{J}s</math><ref>{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?hbar|titolo=CODATA Value: reduced Planck constant|sito=physics.nist.gov|accesso=28 maggio 2019}}</ref>''<small>(esatta per definizione da</small>'' <small>h = 6,626 070 15 × 10<sup>−34</sup> J⋅s'')''</small> |
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|[[Meccanica quantistica]] |
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|Costante della [[forza di Coulomb]] |
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|<math> \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} </math> dove <math>\varepsilon_0 </math> è la costante dielettrica nel vuoto |
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|<math>\left [ M \right ] \left [ L \right ]^3 \left [ T \right ]^{-2} \left [ Q \right ]^{-2}</math> |
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|<math>8,9875517923(14) \cdot 10^9\;\frac{kg\cdot m^3}{s^4\cdot \mathrm{A}^2}</math><ref>{{Cita web|url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?ep0|titolo=CODATA Value: vacuum electric permittivity|sito=physics.nist.gov|accesso=28 maggio 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20200509102043/https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?ep0|urlmorto=sì}}</ref> |
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|[[Elettrostatica]] |
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|- |
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|Costante di Boltzmann |
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|<math>k_{\text{B}} </math> |
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|<math>\left [ M \right ] \left [ L \right ]^2 \left [ T \right ]^{-2} \left [ \Theta \right ]^{-1}</math> |
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|<math>1,380649 \cdot 10^{-23}\;\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{K}}</math><ref>{{cita testo|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?k|titolo=CODATA Value: Boltzmann constant<!-- Titolo generato automaticamente -->}}</ref>''<small>(esatta per definizione)</small>'' |
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|[[Termodinamica]] |
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[[Meccanica statistica]] |
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|- |
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|[[Irraggiamento|Località di Planck, seconda costante di radiazione]] |
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|<math> C_2 = \frac{hc}{k_{\text{B}}} </math> |
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|<math>\left [ L \right ] \left [ \Theta \right ]</math> |
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|<math>0,01438777\;m \cdot \mathrm{K}</math> |
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|[[Termodinamica]] |
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[[Meccanica statistica]] |
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[[Interazione elettromagnetica|Elettromagnetismo]] |
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|- |
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|[[Costante di Stefan-Boltzmann]] |
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|<math>\sigma = \frac{{{\pi}^{2}{k}_{\text{B}}^{4}}}{60{\hbar}^{3}{c}^2} = \frac{{{2\pi}^{5}{k}_{\text{B}}^{4}}}{15{h}^{3}{c}^2}</math> |
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|<math>\left [ M \right ] \left [ T \right ]^{-3} \left [ \Theta \right ]^{-4}</math> |
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|<math>5,67037441 \ldots \cdot 10^{-8}\;\frac{\mathrm{W}}{m^2 \cdot \mathrm{K^4}}</math> |
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|[[Termodinamica]] |
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[[Interazione elettromagnetica|Elettromagnetismo]] |
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|- |
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|Carica elementare |
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|<math>e = q_e </math> |
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|<math>\left [ Q \right ]</math> |
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|<math>1,602176634 \cdot 10^{-19}\; \mathrm{C}</math> |
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''<small>(esatta per definizione)</small>'' |
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|[[Interazione elettromagnetica|Elettrostatica]] |
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|- |
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|[[Costante di struttura fine]] o costante di Sommerfeld |
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|<math>{\alpha} = { \alpha_e } = \frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 \hbar c } </math> |
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|[[Numero adimensionale]] |
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|<math>0,0072973525693(11)</math> |
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<math>\frac{1}{137,035999084(21)}</math> |
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|[[Interazione elettromagnetica|Elettromagnetismo]] |
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[[Atomo|Teoria Atomica]] |
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|} |
|} |
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'''Nota''': <math>\mathrm{L}</math> = lunghezza, <math>\mathrm{M}</math> = [[Massa (fisica)|massa]], <math>\mathrm{T}</math> = [[tempo]], <math>\mathrm{Q}</math> = [[Carica elettrica|carica]], <math>\Theta</math> = [[temperatura]]. |
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Le unità naturali possono aiutare i fisici a rispondere alcune domande. [[Frank Wilczek]] probabilmente ha fatto l'osservazione più acuta: |
Le unità naturali possono aiutare i fisici a rispondere alcune domande. [[Frank Wilczek]] probabilmente ha fatto l'osservazione più acuta: |
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Versione delle 17:56, 5 lug 2024
Nella fisica delle particelle e nella cosmologia, le unità di Planck sono un insieme di unità di misura definite esclusivamente in termini di cinque costanti fisiche universali, in modo tale che queste cinque costanti fisiche assumano il valore numerico di 1 quando espresse in termini di queste unità. Originariamente proposte nel 1899 dal fisico tedesco Max Planck, sono rilevanti nella ricerca di una teoria del tutto come la teoria della gravità quantistica.
Il termine scala di Planck si riferisce alle magnitudini di spazio, tempo, energia e altre unità, al di sotto delle quali (od oltre le quali) le previsioni del Modello standard, la teoria quantistica dei campi e la relatività generale non sono più riconciliabili, e si prevedono dominare gli effetti quantistici della gravità. Questa regione può essere caratterizzata da energie tra i e i (chiamate appunto energie di Planck), intervalli di tempo tra i e i (chiamati tempi di Planck) e lunghezze tra i e i (chiamate lunghezze di Planck). Su scala Planck, non ci si aspetta che i modelli attuali siano una guida utile al cosmo, e i fisici non hanno un modello scientifico per suggerire come si comporta l'universo fisico. L'esempio più noto è rappresentato dalle condizioni nei primi secondi del nostro universo dopo il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa. Nel nuovo 2019 CODATA da NIST si prevede di usare le unità di Planck come future unità in sostituzione delle unità attuali internazionali di riferimento.
Le costanti universali che, per definizione, assumono valore numerico pari ad 1 quando espresse in unità di Planck sono:
- c, la velocità della luce nel vuoto,
- G, la costante gravitazionale,
- ħ, la costante di Planck ridotta,
- , la costante di Boltzmann.
Esistono anche varianti dell'idea di base delle unità di Planck, come ad esempio scelte alternative di normalizzazione che attribuiscono altri valori numerici a una o più delle quattro costanti di cui sopra.
Introduzione
A qualsiasi sistema di misura può essere assegnato un insieme reciprocamente indipendente di quantità di base e unità di misura di base associate, da cui possono derivare tutte le altre quantità e unità. Nel Sistema internazionale, ad esempio, le quantità di base includono la lunghezza con l'unità associata del metro. Nel sistema di unità di Planck, è possibile selezionare un insieme simile di quantità di base e l'unità di base Planck per la lunghezza è quindi nota semplicemente come lunghezza di Planck, l'unità di base del tempo è il tempo di Planck, e così via. Queste unità sono derivate dalle costanti fisiche universali a cinque dimensioni della Tabella 1, in modo tale che queste costanti vengano eliminate dalle equazioni fondamentali delle leggi della fisica quando le quantità fisiche sono espresse in termini di unità di Planck. Ad esempio, la legge di gravitazione universale di Newton
può essere espressa come:
Entrambe le equazioni sono dimensionalmente coerenti e ugualmente valide in qualsiasi sistema di unità, ma la seconda equazione, con mancante, riguarda solo le quantità senza dimensioni poiché qualsiasi rapporto tra due quantità con dimensioni simili è una grandezza adimensionale. Se si intende che ogni grandezza fisica è il rapporto corrispondente ad una coerente unità di Planck (o "espresso in unità di Planck"), i rapporti di cui sopra possono essere espressi semplicemente con i simboli della grandezza fisica, senza essere scalati esplicitamente dalla loro unità corrispondente:
Quest'ultima equazione (senza ) è valida solo se , , e sono valori numerici senza dimensioni delle stesse grandezze fisiche misurate in termini di unità di Planck. Questo è il motivo per cui le unità di Planck o qualsiasi altro uso di unità naturali devono essere impiegate con attenzione. Riferendosi a , Paul S. Wesson scrisse che:[1]
«Matematicamente è un trucco accettabile che salva il lavoro. Fisicamente rappresenta una perdita di informazioni e può creare confusione.»
Definizione
In fisica, le unità di misura di Planck sono un particolare sistema di unità naturali, in cui cinque costanti hanno valore unitario:
Nome | Dimensione | Definizione | Valore (unità S.I.) |
---|---|---|---|
Lunghezza di Planck | lunghezza (L) | 1.616255(18)×10−35 m | |
Massa di Planck | massa (M) | 2.176434(24)×10−8 kg | |
Tempo di Planck | tempo (T) | 5.391247(60)×10−44 | |
Temperatura di Planck | temperatura (Θ) | 1.416784(16)×1032 K |
Le unità naturali possono aiutare i fisici a rispondere alcune domande. Frank Wilczek probabilmente ha fatto l'osservazione più acuta:
«…Vediamo che la domanda [posta] non è "Perché la gravità è così debole?" ma piuttosto "Perché la massa del protone è così piccola?". Per le unità di Planck, l'intensità della gravità è semplicemente quella che è, una quantità primaria, mentre la massa del protone è un numero molto piccolo…[2]»
L'intensità della gravità è semplicemente quella che è, così come l'intensità della forza elettromagnetica è semplicemente quella che è. La forza elettromagnetica opera in base alla carica elettrica, diversamente dalla gravità, che opera in base alla massa, così che non sia possibile una diretta comparazione tra le due: è da notare, infatti, come la gravità sia una forza estremamente debole rispetto alla forza elettromagnetica; dal punto di vista delle unità naturali, sarebbe come paragonare le mele con le arance perché la massa e la carica sono grandezze incommensurabili. Vero è che la forza elettrostatica repulsiva tra due protoni che si trovino in uno spazio vuoto surclassa la forza di attrazione gravitazionale tra gli stessi, ma la disparità di intensità delle due forze è una manifestazione del fatto che la carica dei protoni è approssimativamente la carica unitaria, mentre la massa dei protoni è molto inferiore alla massa unitaria.
Le unità di Planck hanno il vantaggio di semplificare molte equazioni fisiche, rimuovendo i fattori di conversione, per questo motivo sono molto usate nella teoria dei quanti.
Risolvendo le cinque equazioni precedenti per le cinque incognite si ottiene un insieme unico di valori per le cinque unità di Planck di base:
Unità di Planck fondamentali
Dimensione | Formula | versione di Lorentz–Heaviside[3][4] | Versione gaussiana[5][6] | Valore di Lorentz-Heaviside[7][8] | Valore nel Sistema Internazionale gaussiano[9] |
---|---|---|---|---|---|
Lunghezza di Planck | Lunghezza | ||||
Massa di Planck | Massa | ||||
Tempo di Planck | Tempo | ||||
Carica di Planck | Carica elettrica | ||||
Temperatura di Planck | Temperatura |
Nota: = lunghezza, = massa, = tempo, = carica, = temperatura.
Le tre costanti della fisica sono espresse in questo modo semplicemente, mediante l'uso delle unità fondamentali di Planck:
Nel 1899 Max Planck propose di partire dalle costanti fondamentali (che sono: nella teoria della gravitazione, la costante di Newton ; nell'elettrostatica la costante di Coulomb ; nell'elettromagnetismo e nella relatività la velocità della luce ; nella termodinamica la costante di Boltzmann e nella meccanica quantistica la costante di Planck ridotta ) per definire le unità di misura di lunghezza, tempo, massa, carica e temperatura, invece di fare il contrario[10]. Ottenne un sistema di misura alternativo basato su «unità di Planck» in cui la costante di Newton è l'attrazione gravitazionale esercitata da due masse di Planck poste alla distanza di Planck, la costante di Coulomb è l'attrazione elettrica esercitata da due cariche di Planck poste alla distanza di Planck, la velocità della luce è la velocità di percorrenza della lunghezza di Planck nel tempo di Planck, la costante di Boltzmann è l'energia termica della temperatura di Planck e la costante di Planck è l'energia della frequenza pari all'inverso del tempo di Planck. Planck fu molto soddisfatto della scoperta delle sue unità di misura perché «mantengono il loro significato in tutti i tempi e luoghi, e risultano sempre uguali anche se misurate dalle intelligenze più disparate», mentre le costanti universali assumono valori diversi a seconda del sistema di misura considerato (il sistema internazionale di misura (SI), piuttosto che il sistema CGS). Le unità di Planck però portano con sé i limiti delle teorie attuali, nel senso che al di sotto delle lunghezze, dei tempi e delle cariche di Planck, o al di sopra delle masse e delle temperature di Planck, la fisica come la conosciamo perde di senso. Quanto ai loro valori, il tempo di Planck è circa secondi, la lunghezza di Planck è volte più piccola di un protone, la massa di Planck è pari a protoni e farebbe collassare un quanto in un buco nero, la carica di Planck è volte maggiore di quella di un elettrone o un protone, la temperatura di Planck, infine, è di circa gradi, e un corpo che la raggiungesse emetterebbe radiazioni aventi lunghezze d'onda pari alla lunghezza di Planck.[11]
La tabella definisce chiaramente le unità di Planck in termini di costanti fondamentali. Tuttavia, rispetto ad altre unità di misura come quelle del sistema internazionale, i valori delle unità di Planck, diversi dalla carica Planck, sono conosciuti solo approssimativamente. Ciò è dovuto all'incertezza nel valore della costante gravitazionale misurata rispetto alle definizioni del SI. Oggi il valore della velocità della luce nelle unità SI non è soggetto a errori di misurazione, poiché l'unità base SI di lunghezza, il metro, è ora definita come la lunghezza del percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di di secondo. Quindi il valore di è ora esatto per definizione e non contribuisce all'incertezza degli equivalenti SI delle unità di Planck. Lo stesso vale per il valore della permittività del vuoto , a causa della definizione di ampere che imposta la permeabilità magnetica del vuoto a : infatti, poiché e sono ben definite, dalla relazione è possibile ricavare un valore di privo di incertezze. Il valore numerico della costante ridotta di Planck è stato determinato sperimentalmente a 12 parti per miliardo, mentre quello di è stato determinato sperimentalmente a non migliore di 1 parte su 21300 (o 47000 parti per miliardo).[12] appare nella definizione di quasi tutte le unità di Planck nelle tabelle 2 e 3, ma non tutte. Quindi l'incertezza nei valori degli equivalenti SI delle unità di Planck deriva quasi interamente dall'incertezza nel valore di . (La propagazione dell'errore in è una funzione dell'esponente di nell'espressione algebrica per un'unità. Poiché tale esponente è per ogni unità base diversa dalla carica di Planck, l'incertezza relativa di ciascuna unità di base è circa la metà di quella di . Questo è davvero il caso; secondo CODATA, i valori sperimentali degli equivalenti SI delle unità di Planck di base sono noti a circa 1 parte su 43500, o 23000 parti per miliardo). Dopo il 20 maggio 2019, (e quindi ) è un valore di riferimento esatto, è anch'essa esatta ma, poiché non è ancora esatta, anche i valori di , , e non sono esatti. Inoltre, (e quindi ) non è più esatto (solo la carica è esatta), quindi anche non è esatto come precisione numerica.
Unità di Planck derivate
In qualsiasi sistema di misura, le unità per molte grandezze fisiche possono essere derivate da unità di base. La tabella 3 offre un campione di unità di Planck derivate, alcune delle quali in realtà sono usate raramente. Come per le unità di base, il loro uso è per lo più limitato alla fisica teorica perché la maggior parte di esse è troppo grande o troppo piccola per un uso empirico o pratico, e vi sono grandi incertezze nei loro valor
Unità derivata da | Espressione | Equivalente SI |
---|---|---|
area (L2) | 2,6121×10−70 m² | |
volume (L3) | 4,2217×10−105 m³ | |
quantità di moto (LMT−1) | 6,5249 kg⋅m/s | |
energia (L2MT−2) | 1,9561×109 J | |
forza (LMT−2) | 1,2103×1044 N | |
densità (L−3M) | 5,1550×1096 kg/m³ | |
accelerazione (LT−2) | 5,5608×1051 m/s² |
Alcune unità di Planck, come quella di tempo o di lunghezza, sono molti ordini di grandezza maggiori o minori per essere d'uso pratico, e sono rilevanti solo nella fisica teorica. In alcuni casi, un'unità di Planc suggerisce un limite alla gamma di valori che una grandezza fisica può assumere nelle attuali teorie.[13] Per esempio, l'attuale comprensione del Big Bang si ferma all'epoca di Planck, corrispondente all'età dell'universo di un tempo di Planck. Descrivere l'universo durante l'epoca di Planck comporta una teoria di gravità quantistica, che incorpori gli effetti quantistici nella relatività generale.
Discussione
Nelle "scale di Planck" di lunghezza, tempo, densità o temperatura, si devono considerare sia gli effetti della meccanica quantistica che della relatività generale, ma ciò richiede una teoria della gravità quantistica di cui ancora non conosciamo la forma.
La maggior parte delle unità sono o troppo piccole o troppo grandi per l'utilizzo pratico. Inoltre soffrono di incertezze nella misura di alcune delle costanti su cui sono basate, in particolare la costante gravitazionale (che ha un'incertezza di 1 su 44000 parti).
La carica di Planck non fu originariamente definita da Planck. È una definizione di unità di carica che è un'aggiunta naturale alle altre unità di Planck, ed è utilizzata in alcune pubblicazioni[14][15][16]. È interessante notare che la carica elementare, misurata in termini della carica di Planck, risulta essere:
dove è la costante di struttura fine[17]:
Si può ritenere che la costante di struttura fine, adimensionale, possieda il proprio valore per via della quantità di carica, misurata in unità naturali (carica di Planck), che gli elettroni, i protoni e altre particelle cariche hanno in natura. Poiché la forza elettromagnetica tra due particelle è proporzionale alle cariche di ciascuna particella (che è proporzionale a ), la forza elettromagnetica relativamente alle altre forze è proporzionale a .
L'impedenza di Planck risulta essere l'impedenza caratteristica del vuoto, , divisa per . Ciò avviene in quanto la costante della forza di Coulomb, , è normalizzata a nella legge di Coulomb, così come viene fatto nelle unità del sistema CGS, invece che porre a la permittività del vuoto . Tali considerazioni, insieme al fatto che la costante gravitazionale è normalizzata a (invece che o o ), inducono a ritenerla una definizione arbitraria e forse non ottimale nella prospettiva di definire le unità più naturali della fisica come unità di Planck.
«Una convenzione sempre più comune nella letteratura di fisica delle particelle e cosmologia è quella di usare 'unità di Planck ridotte' in cui (così chiamato perché la massa di Planck è ridotta di in queste unità). Queste unità hanno il vantaggio di rimuovere un fattore dall'equazione di campo di Einstein, azione di Einstein-Hilbert, equazioni di Friedmann e l'equazione di Poisson per la gravitazione, a scapito di introdurne una nella legge di gravitazione universale. Un'altra convenzione che si vede occasionalmente è di impostare , che fissa il coefficiente di nell'azione di Einstein-Hilbert all'unità. Tuttavia, un'altra convenzione imposta in modo che le costanti dimensionali nella controparti gravitoelettromagnetica (GEM) delle equazioni di Maxwell vengano eliminate. Le equazioni GEM hanno la stessa forma delle equazioni di Maxwell (e dell'equazione della forza di Lorentz) dell'interazione elettromagnetica con massa (o densità di massa) che sostituisce carica (o densità di carica) e sostituendo la permittività e sono applicabili in campi gravitazionali deboli o spazio-tempo ragionevolmente piatto. Come le radiazioni elettromagnetiche, le radiazioni gravitazionali si propagano alla velocità di e hanno impedenza caratteristica di spazio libero che diventa unitaria se le unità sono definite giudiziosamente in modo che e »
.
La carica, come le altre unità di Planck, non era originariamente definita da Planck. È un'unità di carica che è un'aggiunta naturale alle altre unità di Planck e viene utilizzata in alcune pubblicazioni.[18][19] La carica elementare , misurato in termini di unità di Planck, è
- (Versione Lorentz – Heaviside)
- (Versione gaussiana)
dove è la costante di struttura fine
La costante di struttura fine è anche chiamata costante di accoppiamento elettromagnetico, confrontandola così con la costante di accoppiamento gravitazionale . La massa a riposo dell'elettrone misurata in termini di massa di Planck, è:
(Versione Lorentz – Heaviside)
(Versione gaussiana)
dove è la costante di accoppiamento gravitazionale:
(Versione Lorentz – Heaviside)
(Versione gaussiana)
Alcune unità di Planck sono adatte per misurare quantità familiari nel mondo della fisica. Per esempio:
- la massa di Planck è di circa (versione di Lorentz – Heaviside) o (versione gaussiana);
- il momento di Planck è di circa (versione di Lorentz – Heaviside) o (versione gaussiana);
- l'energia di Planck è di circa (versione Lorentz – Heaviside) o (versione gaussiana);
- l'angolo di Planck è radiante (entrambe le versioni);
- l'angolo solido di Planck è steradiante (entrambe le versioni);
- la carica di Planck è di circa cariche elementari (versione Lorentz – Heaviside) o cariche elementari (versione gaussiana);
- l'impedenza di Planck è di circa (versione Lorentz-Heaviside) o (versione gaussiana);
- la conduttanza Planck è di circa (versione Lorentz – Heaviside) o (versione gaussiana);
- la permeabilità di Planck è di circa (versione Lorentz – Heaviside) o (versione gaussiana);
- il flusso elettrico di Planck è di circa (versione Lorentz – Heaviside) o (versione gaussiana).
Tuttavia, la maggior parte delle unità di Planck ha ordini di grandezza troppo grandi o troppo piccoli per essere di uso pratico, quindi le unità di Planck come sistema sono realmente rilevanti solo per la fisica teorica. In effetti, unità di Planck è spesso il valore più grande o più piccolo di una quantità fisica che ha senso secondo la nostra attuale comprensione. Per esempio:
- La velocità di Planck è la velocità della luce nel vuoto, la massima velocità fisica possibile nella relatività speciale;[20] 1 miliardesimo della velocità di Planck è di circa 1,079 km/h.
- La nostra comprensione del Big Bang inizia con l'epoca di Planck, quando l'universo aveva tempo di Planck e lunghezza di Planck di diametro, e aveva una temperatura di Planck pari a . In quel momento, la teoria quantistica, come attualmente intesa, diventa applicabile. Comprendere l'universo quando era meno di tempo di Planck richiede una teoria della gravità quantistica che incorporerebbe gli effetti quantistici nella relatività generale. Tale teoria non esiste ancora.
Nelle unità di Planck abbiamo:
- (Versione Lorentz – Heaviside)
- (Versione gaussiana)
- (Versione Lorentz – Heaviside)
- (Versione gaussiana)
dove:
- è la costante di struttura fine
- è la carica elementare
- è la costante di accoppiamento gravitazionale
- è la massa di riposo dell'elettrone
- da qui la carica specifica dell'elettrone è Carica specifica di Planck, in entrambe le versioni delle unità di Planck.
Significato
Le unità di Planck sono prive di arbitrarietà antropocentrica. Alcuni fisici sostengono che la comunicazione con l'intelligenza extraterrestre dovrebbe impiegare un tale sistema di unità per essere compresa.[21] A differenza del metro e del secondo, che esistono come unità di base nel sistema SI per ragioni storiche, la lunghezza di Planck e il tempo di Planck sono concettualmente collegati a un livello fisico fondamentale.
Cosmologia
Nella cosmologia del Big Bang, l'epoca di Planck o era di Planck è il primo stadio del Big Bang, prima che il tempo trascorso fosse uguale al tempo di Planck, , o circa secondi.[22] Al momento non esiste una teoria fisica disponibile per descrivere tempi così brevi, e non è chiaro in che senso il concetto di tempo sia significativo per valori inferiori al tempo di Planck. Si presume generalmente che gli effetti quantistici della gravità dominino le interazioni fisiche a questa scala temporale. Su questa scala, si presume che la forza unificata del Modello standard sia unificata con la gravitazione. Incommensurabilmente caldo e denso, lo stato dell'epoca di Planck fu seguito dall'epoca della grande unificazione, in cui la gravitazione è separata dalla forza unificata del Modello Standard, a sua volta seguita dall'epoca inflazionistica, che si concluse dopo circa secondi (o circa ).[23]
Rispetto all'epoca di Planck, l'universo osservabile oggi sembra estremo quando espresso in unità di Planck, come in questo insieme di approssimazioni:[24][25]
Proprietà dell'Universo osservabile | Espressione | Hubble in unità di Planck | Unità di Hubble |
---|---|---|---|
Età di Hubble | |||
Diametro di Hubble |
| ||
Massa di Hubble | (con 8π/3) |
(con 8π/3) (solo stelle)
(conosciuto come numero di Eddington) | |
Densità di Hubble |
|
(senza 3/8π) | |
Pressione di Hubble
Energia del vuoto |
|||
Temperatura di Hubble | (2,72548=radiazione cosmica di fondo)
a
| ||
Carica di Hubble | |||
Accelerazione di Hubble | |||
Costante cosmologica, |
2,883 89 × 10−122 l−2P (con 8π/3) |
| |
Costante di Hubble | |||
Costante di accoppiamento di Hubble |
4,582 × 10123 (con 8π/3) |
(con 8π/3)
| |
Entropia di Hubble |
1,632 × 10123 (1/4) 4,582 × 10123 (con 8π/3) |
(con 8π/3) | |
Informazione teorica di Hubble |
L'informazione di Hubble che può avere l'universo osservabile di dati secondo Seth LIyod[31] e Jacob Bekenstein[32] sugli studi dell'entropia dei buchi neri. Questo enorme valore ci dice quanti dati possiamo archiviare teoricamente, circa , su una chiavetta USB che possa avere questa capacità. Ma per avere questa capacità teorica dovrebbe usare la stessa massa/energia dell'intero universo osservabile di oggi. Cioè l'analogia è che la massa di Hubble, quindi la massa del universo può avere massimo di dati sapendo che ogni unità di Planck al quadrato può avere 1,133 bytes di dati. Quindi la radice quadrata delle unità di Planck e circa . l'intera massa di Hubble a circa unità di Planck, per di singola unità di Planck porta a . In bits sarà la radice quadrata di della costante di accoppiamento di Planck, ovvero unità di Planck al quadrato. Diventerà di singola unità di Planck per l'intera massa di Hubble a circa unità di Plack uguale a . Questo calcolo deriva da Jacob Bekenstein che usava non la massa di Planck, ma l'area di Planck secondo la sua formula dell'entropia di un buco nero che è l'area della superficie divisa 4 area di Planck. |
La ricorrenza di grandi numeri vicino o correlata a nella tabella sopra è una coincidenza che incuriosisce alcuni teorici. È un esempio del tipo di coincidenza di grandi numeri che ha portato teorici come Eddington e Dirac a sviluppare teorie fisiche alternative (ad esempio una velocità della luce variabile o la teoria di G variabile di Dirac ).[33] Dopo la misurazione della costante cosmologica nel 1998, stimata in unità di Planck, è stato notato che ciò è suggestivamente vicino al reciproco dell'età dell'universo al quadrato.[34] Barrow and Shaw (2011) hanno proposto una teoria modificata in cui tale costante è un campo che si evolve in modo tale che il suo valore rimanga per tutta la storia dell'universo.[35]
Semplificazione delle equazioni
Le quantità fisiche che hanno dimensioni diverse (come il tempo e la lunghezza) non possono essere equiparate anche se sono numericamente uguali (1 secondo non è uguale a 1 metro). Nella fisica teorica, tuttavia, questo scrupolo può essere messo da parte, mediante un processo chiamato non dimensionalizzazione. La tabella 6 mostra come l'uso delle unità di Planck semplifichi molte equazioni fondamentali della fisica, poiché conferiscono a ciascuna delle cinque costanti fondamentali, e prodotti di esse, un semplice valore numerico pari a , mentre nel sistema SI le unità devono essere contabilizzate. Nella forma non dimensionata le unità, che ora sono unità di Planck, non devono essere scritte se ne viene compreso l'uso.
Nota:
- Per la carica elementare :
- (versione Lorentz – Heaviside)
- (versione gaussiana)
dove è la costante di struttura fine.
- Per la massa di riposo dell'elettrone :
- (versione di Lorentz – Heaviside)
- (versione gaussiana)
dove è la costante di accoppiamento gravitazionale.
Come si può vedere sopra, la forza gravitazionale di due corpi di massa di Planck ciascuno, separati da lunghezza di Planck è 1 forza di Planck nella versione gaussiana, o forza di Planck nella versione Lorentz-Heaviside. Allo stesso modo, la distanza percorsa dalla luce durante tempo di Planck è di lunghezza di Planck. Per determinare le grandezze fisiche, in termini di SI o di un altro sistema esistente di unità, devono essere soddisfatti i valori quantitativi delle cinque unità di Planck di base mediante le seguenti cinque equazioni:
- (Versione Lorentz – Heaviside)
(Versione gaussiana)
- (Versione Lorentz – Heaviside)
(Versione gaussiana)
Scelte alternative di normalizzazione
Come già detto sopra, le unità di Planck sono derivate "normalizzando" i valori numerici di alcune costanti fondamentali su . Queste normalizzazioni non sono né le uniche possibili, né necessariamente le migliori. Inoltre, la scelta di quali fattori normalizzare, tra i fattori che compaiono nelle equazioni fondamentali della fisica, non è evidente e i valori delle unità di Planck sono sensibili a questa scelta.
Il fattore è onnipresente nella fisica teorica perché la superficie di una sfera di raggio è . Questo, insieme al concetto di flusso, sono la base per la legge del quadrato inverso, la legge di Gauss e l'operatore di divergenza applicato alla densità del flusso. Ad esempio, i campi gravitazionali ed elettrostatici prodotti dalle cariche puntiformi hanno una simmetria sferica[39]. Il che appare a denominatore della legge di Coulomb in forma razionalizzata, ad esempio, segue il flusso di un campo elettrostatico distribuito uniformemente sulla superficie di una sfera; lo stesso accade per la legge di gravitazione universale di Newton. (Se lo spazio avesse più di tre dimensioni spaziali, il fattore dovrebbe essere modificato in base alla geometria della sfera in dimensioni superiori).
Quindi un corpo sostanziale di teoria fisica sviluppato da Planck (1899) suggerisce di normalizzare non ma (o oppure ) a . In tal modo si introdurrebbe un fattore pari a (o oppure ) nella forma adimensionalizzata della legge di gravitazione universale, coerente con la moderna formulazione razionalizzata della legge di Coulomb in termini di permittività del vuoto. Infatti, le normalizzazioni alternative preservano frequentemente il fattore di anche nella forma non dimensionalizzata della legge di Coulomb, cosicché le equazioni di Maxwell non dimensionalizzate per l'elettromagnetismo e il gravitoelettromagnetismo assumono entrambe la stessa forma di quelle per l'elettromagnetismo nel SI, che non hanno alcun fattore . Quando questo viene applicato alle costanti elettromagnetiche, il sistema di unità viene chiamato razionalizzato. Se applicate in aggiunta alla gravitazione e alle unità di Planck, queste sono chiamate unità di Planck razionalizzate[40] e si vedono fisica delle alte energie..
Le unità di Planck razionalizzate sono definite in modo tale che . Queste sono le unità di Planck basate su unità di Lorentz-Heaviside (invece che sulle unità gaussiane più convenzionali) come illustrato sopra. Esistono diverse possibili normalizzazioni alternative.
Gravità
Nel 1899, la legge di gravitazione universale di Newton era ancora vista come esatta, piuttosto che come un'approssimazione conveniente per velocità e masse "piccole" (la natura approssimativa della legge di Newton fu dimostrata in seguito allo sviluppo della relatività generale nel 1915). Quindi Planck normalizzò a la costante gravitazionale nella legge di Newton. Nelle teorie emerse dopo il 1899, appare quasi sempre in formule moltiplicate per o un suo multiplo intero piccolo. Quindi, una scelta da fare quando si progetta un sistema di unità naturali è quale, se del caso, delle istanze di che compaiono nelle equazioni della fisica devono essere eliminate tramite la normalizzazione.
- Normalizzando a , e quindi ponendo si ha che:
- la legge di Gauss per la gravità diventa (piuttosto che in unità di Planck)
- elimina dall'equazione di Poisson
- elimina nelle equazioni gravitoelettromagnetiche (GEM), che reggono in campi gravitazionali deboli o nello spaziotempo localmente piatto. Queste equazioni hanno la stessa forma delle equazioni di Maxwell (e dell'equazione della forza di Lorentz) dell'elettromagnetismo, con la densità di massa che sostituisce la densità di carica e con che sostituisce
- normalizza l'impedenza caratteristica della radiazione gravitazionale nello spazio libero a , normalmente espressa come
- elimina dalla formula di Bekenstein-Hawking (per l'entropia di un buco nero in termini della sua massa e area del suo orizzonte degli eventi ) che è semplificata in .
- in questo caso la massa di riposo dell'elettrone, misurata in termini di questa massa razionalizzata di Planck, è:
- dove è la costante di accoppiamento gravitazionale. Questa convenzione è usata nella fisica delle alte energie.
- Normalizzando a , e quindi ponendo , si ha che ciò eliminerebbe dalle equazioni di campo di Einstein, dall'azione di Einstein-Hilbert e dalle equazioni di Friedmann per la gravitazione. Le unità di Planck modificate in modo che sono note come unità di Planck ridotte, perché la massa di Planck è divisa per . Inoltre, la formula di Bekenstein-Hawking per l'entropia di un buco nero si semplifica in .
- Normalizzando , eliminerebbe la costante dall'azione Einstein-Hilbert. La forma delle equazioni di campo di Einstein con costante cosmologica diventa .
Elettromagnetismo
Per costruire unità naturali nell'elettromagnetismo si possono usare:
- Unità di Lorentz – Heaviside (classificate come un sistema razionalizzato di unità di elettromagnetismo).
- Unità gaussiane (classificate come un sistema non razionalizzato di unità di elettromagnetismo).
Di questi, Lorentz – Heaviside è il sistema un po' più utilizzato,[41] principalmente perché le equazioni di Maxwell sono più semplici nelle unità di Lorentz – Heaviside che non nelle unità gaussiane.
Nei sistemi a due unità, la carica dell'unità di Planck è:
- (Lorentz – Heaviside),
- (Gauss)
dove è la costante di Planck ridotta, è la velocità della luce e è la costante di struttura fine.
In un sistema di unità naturale in cui , le unità di Lorentz – Heaviside possono essere derivate dalle unità impostando . Unità gaussiane possono essere derivate da unità di un insieme più complicato di trasformazioni, come moltiplicando tutti i campi elettrici per , tutte le suscettibilità magnetiche per e così via. Le unità di Planck normalizzano a la costante di Coulomb (come fanno il sistema di misura CGS e le unità gaussiane). Questo imposta l'impedenza di Planck, , uguale a dove è l'impedenza caratteristica del vuoto.
La normalizzazione della costante dielettrica del vuoto da a (come le unità di Planck della versione Lorentz – Heaviside):
- imposta la permeabilità dello spazio libero (perché ).
- imposta l'impedenza dell'unità o la resistenza dell'unità all'impedenza caratteristica dello spazio libero, (o imposta l'impedenza caratteristica dello spazio libero da a ).
- elimina dalla forma non dimensionalizzata delle equazioni di Maxwell.
- La legge di Coulomb ha un termine rimanente al denominatore (che è la superficie della sfera racchiusa nel raggio ).
- equivale alle nozioni di densità di flusso e intensità di campo nello spazio libero (intensità del campo elettrico e induzione elettrica , intensità del campo magnetico e induzione magnetica )
- in questo caso la carica elementare, misurata in termini di questa carica razionalizzata di Planck, è:
dove è la costante di struttura fine. Questa convenzione è usata nella fisica delle alte energie.
Temperatura
Planck normalizzò a la costante di Boltzmann
La normalizzazione di a :
- rimuove il fattore nell'equazione non dimensionalizzata per l'energia termica per particella ogni grado di libertà
- introduce un fattore nella forma non dimensionalizzata della formula entropica di Boltzmann
- non influenza il valore di nessuna delle unità di Planck di base o derivate elencate nelle Tabelle 2 e 3 diverse dalla temperatura di Planck, entropia di Planck, capacità termica specifica di Planck e conducibilità termica di Planck; la temperatura di Planck raddoppia e le altre tre diventano le loro metà.
Unità di Planck e il ridimensionamento invariante della natura
Alcuni teorici (come Dirac e Milne) hanno proposto cosmologie che ipotizzano che le "costanti" fisiche potrebbero effettivamente cambiare nel tempo (ad esempio una velocità della luce variabile o la teoria di G variabile di Dirac ). Tali cosmologie non hanno ottenuto l'accettazione generale e tuttavia esiste ancora un notevole interesse scientifico nella possibilità che le "costanti" fisiche possano cambiare, sebbene tali proposizioni introducano domande difficili. Forse la prima domanda da porsi è: in che modo un tale cambiamento farebbe una notevole differenza operativa nella misurazione fisica o, più fondamentalmente, nella nostra percezione della realtà? Se una particolare costante fisica fosse cambiata, come la noteremmo o come la realtà fisica sarebbe diversa? Quali costanti modificate si traducono in una differenza significativa e misurabile nella realtà fisica? Se una costante fisica che non è priva di dimensioni, come la velocità della luce, fosse effettivamente cambiata, saremmo in grado di notarla o misurarla in modo inequivocabile? Questa è una domanda esaminata da Michael Duff nel suo articolo "Commento sulla variazione temporale delle costanti fondamentali".[42]
George Gamow sosteneva nel suo libro Mr Tompkins nel Paese delle Meraviglie che un cambiamento sufficiente in una costante fisica dimensionale, come la velocità della luce nel vuoto, avrebbe comportato evidenti cambiamenti percettibili. Ma questa idea è messa in discussione:
«[An] important lesson we learn from the way that pure numbers like α define the world is what it really means for worlds to be different. The pure number we call the fine structure constant and denote by α is a combination of the electron charge, e, the speed of light, c, and Planck's constant, h. At first we might be tempted to think that a world in which the speed of light was slower would be a different world. But this would be a mistake. If c, h, and e were all changed so that the values they have in metric (or any other) units were different when we looked them up in our tables of physical constants, but the value of α remained the same, this new world would be observationally indistinguishable from our world. The only thing that counts in the definition of worlds are the values of the dimensionless constants of Nature. If all masses were doubled in value [including the Planck mass mP ] you cannot tell because all the pure numbers defined by the ratios of any pair of masses are unchanged.»
Facendo riferimento al "Commento sulla variazione temporale delle costanti fondamentali"[42] di Duff e all'articolo di Duff, Okun e Gabriele Veneziano "Trialogo sul numero di costanti fondamentali",[43] in particolare la sezione intitolata "The operationally indistinguishable world of Mr. Tompkins", se tutte le quantità fisiche (masse e altre proprietà delle particelle) fossero espresse in termini di unità di Planck, quelle quantità sarebbero numeri adimensionali (massa divisa per la massa di Planck, lunghezza divisa per la lunghezza di Planck, e così via) e le uniche quantità che alla fine misuriamo negli esperimenti fisici o nella nostra percezione della realtà sono numeri adimensionali. Quando si misura comunemente una lunghezza con un righello o un metro a nastro, si stanno effettivamente contando i segni di graduazione su un dato standard o misurando la lunghezza rispetto a quel dato standard, che è un valore adimensionale. Non è diverso per gli esperimenti fisici, poiché tutte le quantità fisiche vengono misurate rispetto a un'altra quantità di dimensioni simili.
Potremmo notare una differenza se una qualche grandezza fisica adimensionale (come la costante di struttura fine o il rapporto di massa protone/elettrone) cambiasse (le strutture atomiche cambierebbero), ma se tutte le quantità fisiche adimensionali rimanessero invariate (questo include tutti i possibili rapporti di quantità fisiche di dimensioni identiche), non possiamo dire se una quantità dimensionale, come la velocità della luce , è cambiata. E, in effetti, il concetto di Tompkins diventa privo di significato nella nostra percezione della realtà se una quantità dimensionale come è cambiata, anche drasticamente.
Se il valore velocità della luce è stato in qualche modo improvvisamente dimezzato e cambiato in (ma con l'assioma che tutte le grandezze fisiche adimensionali rimangano uguali), allora la lunghezza di Planck aumenterebbe di un fattore dal punto di vista di un osservatore esterno. Misurata da osservatori "mortali" in termini di unità di Planck, la nuova velocità della luce rimarrebbe come 1 nuova lunghezza di Planck per 1 nuovo tempo di Planck, che non è diverso dalla vecchia misurazione. Ma per assioma, la dimensione degli atomi (approssimativamente il raggio di Bohr) è correlata alla lunghezza di Planck da una costante immutabile di proporzionalità:
Quindi gli atomi sarebbero più grandi (in una dimensione) di , e ognuno di noi sarebbe più alto di , e così i nostri strumenti per misurare il metro sarebbero più alti (e più larghi e più spessi) di un fattore . La nostra percezione della distanza e delle lunghezze rispetto alla lunghezza di Planck è, per assioma, una costante immutabile senza dimensioni.
I nostri orologi ticchetterebbero più lentamente di un fattore (dal punto di vista di questo osservatore esterno) perché il tempo di Planck è aumentato di , ma non conosceremmo la differenza (la nostra percezione delle durate del tempo rispetto al tempo di Planck è, per assioma, una costante immutabile senza dimensioni). Questo ipotetico osservatore esterno potrebbe osservare che la luce ora si propaga a metà della velocità che aveva precedentemente (così come tutte le altre velocità osservate), ma avrebbe comunque percorso dei nostri nuovi metri nel tempo trascorso da uno dei nostri nuovi secondi( continua a essere uguale a ). Non noteremmo alcuna differenza.
Ciò contraddice ciò che George Gamow scrive nel suo libro Mr. Tompkins; lì, Gamow suggerisce che se una costante universale dimensione-dipendente come cambiasse significativamente, dovremmo facilmente notare la differenza. Il disaccordo è meglio espresso dall'ambiguità nella frase "cambiare una costante fisica"; cosa succederebbe se (1) tutte le altre costanti senza dimensione sono state mantenute uguali o se (2) tutte le altre costanti dipendenti dalla dimensione vengono mantenute uguali. La seconda scelta è una possibilità alquanto confusa, poiché la maggior parte delle nostre unità di misura sono definite in relazione ai risultati degli esperimenti fisici, e i risultati sperimentali dipendono dalle costanti. Gamow non affronta questa sottigliezza; gli esperimenti di pensiero che conduce nelle sue opere popolari assumono la seconda scelta per "cambiare una costante fisica". E Duff o Barrow sottolineano che l'attribuzione di un cambiamento nella realtà misurabile, ovvero , a una specifica quantità dimensionale, come , è ingiustificata. La stessa differenza operativa nella misurazione o nella realtà percepita potrebbe anche essere causata da un cambiamento in o e se viene modificato e non vengono modificate altre costanti senza dimensione. Sono solo le costanti fisiche senza dimensioni che alla fine contano nella definizione di mondi.[42]
Questo aspetto invariato della scala relativa a Planck, o quello di qualsiasi altro sistema di unità naturali, porta molti teorici a concludere che un ipotetico cambiamento nelle costanti fisiche dimensionali può manifestarsi solo come un cambiamento nelle costanti fisiche senza dimensioni; una di queste costanti fisiche senza dimensioni è la costante di struttura fine. Ci sono alcuni fisici sperimentali che affermano di aver effettivamente misurato un cambiamento nella costante della struttura fine[44] e questo ha intensificato il dibattito sulla misurazione delle costanti fisiche. Secondo alcuni teorici[45] ci sono alcune circostanze molto speciali in cui i cambiamenti nella costante della struttura fine possono essere misurati come un cambiamento nelle costanti fisiche dimensionali. Altri tuttavia rifiutano la possibilità di misurare un cambiamento nelle costanti fisiche dimensionali in qualsiasi circostanza.[42] La difficoltà o persino l'impossibilità di misurare i cambiamenti nelle costanti fisiche dimensionali ha portato alcuni teorici a discutere tra loro se una costante fisica dimensionale abbia o meno un significato pratico e che a sua volta porti a domande su quali costanti fisiche dimensionali siano significative.[43]
Note
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- ^ giugno 2001 da "Physics Today" (archiviato dall'url originale il 16 dicembre 2005).
- ^ Wayback Machine (PDF), su dbserv.ihep.su, 17 giugno 2006. URL consultato il 22 marzo 2020 (archiviato dall'url originale il 9 marzo 2008).
- ^ Rationalized Heaviside-Lorentz Units, su quantummechanics.ucsd.edu. URL consultato il 22 marzo 2020.
- ^ Gaussian, SI and Other Systems of Units in Electromagnetic (PDF), su bohr.physics.berkeley.edu. URL consultato il 22 marzo 2020 (archiviato dall'url originale l'11 dicembre 2015).
- ^ Natural units- Babel of units (PDF), su arxiv.org.
- ^ Natural units Lorentz-Heaveside & Gaussian [collegamento interrotto], su parouse.com.
- ^ Heaviside-Lorentz Units, su mysite.du.edu. URL consultato il 22 marzo 2020.
- ^ Valori presi da The NIST Reference.
- ^ cioè definire le costanti fondamentali in funzione delle unità di lunghezza (metro, ), tempo (secondo, ), massa (chilogrammo, ), carica (coulomb, ), temperatura (kelvin, ) ed energia (joule, ).
- ^ modificato da Il matematico impertinente di Piergiorgio Odifreddi sul numero 553, settembre 2014, di Le Scienze
- ^ Fundamental Physical Constants from NIST, su physics.nist.gov.
- ^ Anthony Zee, Quantum Field Theory in a Nutshell, second, Princeton University Press, 2010, pp. 172,434–435, ISBN 978-0-691-14034-6, OCLC 659549695.«Just as in our discussion of the Fermi theory, the nonrenormalizability of quantum gravity tells us that at the Planck energy scale ... new physics must appear. Fermi's theory cried out, and the new physics turned out to be the electroweak theory. Einstein's theory is now crying out.»
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